（有机化学专业论文）钯和镍催化的偶联反应的机理研究.pdf

摘要 摘要 过渡金属催化的偶联反应是现代有机合成的重要工具 利用偶联反应可以方 便高效的构建c c 键 c o 键 c n 键等常见的有机物中的化学键 在过渡金属 催化的偶联反应中 钯和镍催化的一系列的人名反应尤其重要 包括s u z u k i 反 应 n e g i s h i 反应 k u m a d a 反应 s t i l l e 反应等 对于这些反应的研究已经取 得了很大成就 包括最近f u 和b u c h w f 1 d 等人发展的能催化氯苯偶联的钯催化剂 以及s h i 和g a r g 等人发展的能催化芳香酯和苯硼酸偶联的镍催化剂 但是 这 些反应的选择性和适用范围仍然有待改进 这就需要人们对反应机理有进一步的 认识 本文拟用量子化学的方法 从物理有机化学的角度阐述一些新的偶联反应 的内在机理 在第一章中 概述了钯和镍催化的偶联反应的背景 现状和展望 并简要介 绍了本论文的研究目的和主要创新点 在第二章中 简要介绍了常用的计算化学方法 主要包括从头算 密度泛函 0 n i o m 分层方法等 并且 对常用的密度泛函方法对于过渡金属体系的精确度进 行了评测 确立了本论文使用的计算方法 在第三章中 我们用密度泛函方法结合p c m 模型研究了p h c l 和p h b r 对于 p d p r 3 2 r m e e t 扣p r f b u 和p h 的氧化加成 指出了单膦配位的钯是催化 反应中氧化加成步骤的真正活性中间体 它的浓度决定了催化剂效率的高低 在第四章中 研究了最新报道的n i 催化的芳香酯和苯硼酸的s u z u k i 偶联反 应 阐明了这个反应的机理 进一步指出了n i 选择性的活化芳香酯中键能更大 的酚基上的c o 键的原因 本论文以量子化学方法为工具 物理有机化学为指导 系统的研究了几种钯 和镍催化的偶联反应的机理 通过对反应机理的研究 解释了实验上观察到的现 象 并且为进一步设计更好的催化剂提供了有价值的参考 关键词 密度泛函方法 钯 镍 偶联反应 氧化加成 c 一0 键活化 a b s t r a c t t r a n s i t i o n m e t a lc a t a l y z e dc r o s s c o u p l i n gr e a c t i o n sa r ei n d i s p e n s b l et o o l si n m o d e r ns y n t h e t i cc h e m i s t r y c c c o a n dc nb o n d sc a nb er e a d i l yf o r m e dv i a c r o s s c o u p i i n gr e a c t i o n s a m o n gc r o s s c o u p l i n gr e a c t i o n s s u z u k i n e g i s h i k u m a d a s t 川e e t c a r ei m p o r t a n tn a m er e a c t i o n s r e s e a r c hi nt h i sf i e l dh a sa c h i e v e dm u c h i n c l u d i n gf ua n db u c h w a i d sc a t a l y s tt h a tc a na c t i v a t ep h c l s h ia n dg a 唱 sr e c e n t r e p o r ta b o u tc oa c t i v a t i o no fa r y le s t e r s h o w e v e r t h es c a l ea n ds e l e c t i v i t yo ft h e s e r e a c t i o n ss t i l ln e e dt ob ei m p r o v e d w h i c hr e i yo nm o r ei n f o r m a t i o na b o u tr e a c t i o n m e c h a n i s m s i nt h i s s t u d y v ee m p i o yt h e o r e t i c a i c a l c u i a t i o n st o s t u d yt h e m e c h a n i s m so fn e wc r o s s c o u p l i n gr e a c t i o n s 1 nt h en r s tc h a p t e r w er e v i e w e dt h ei m p o r t a n tc r o s s c o u p l i n gr e a c t i o n s w ea l s o i n t r o d u c et h eg o a la n dc r e a t i v i t yo ft h i st h e s i s i nt h es e c o n dc h a p t e r s e v e r a lc o m p u t a t i o n a lm e t h o d sw e r ei n t r o d u c e d i n c l u d i n g a bi n i t i o m e t h o d s d e n s i t y f u n c t i o n a l m e t h o d s d f t a n do n l 0 mm e t h o d f u r t h e m o r e w eb e n c h m a r k e das e r i e so fc o m m o nd f tm e t h o d sa n de s t a b l i s h r e l i a b l ed f tm e t h o df b rp da n dn ic o m p o u n d s i nt h et h i r dc h a p t e r w ee m p l o y e dd f tm e t h o d a u g m e n t e dw i t hp o l a r i z e d c o n t i n u u mm o d e lt os t u d yt h eo x i d a t i v ea d d i t i o no fp h c la n dp h b rt op d p r 3 2 r m e e t i p r t b ua n dp h t h er e a ia c t i v ei n t e n l l e d i a t eo fo x i d a t i v ea d d i t i o ni s m o n o p h o s p h i n ep d p r 3 a n di t sc o n c e n t r a t i o ng o v e m st h ea c t i v i t yo ft h ec a t a l y s t i nt h ef o u r t hc h a p t e r t h em e c h a n i s mo ft h ec r o s s c o u p l i n go fa 呵le s t e r sa n d b o r o n i ca c i d sw e r es t u d i e da n de s t a b l i s h e d f u r t h e r m o r e t h er e a s o nf o rt h es e l e c t i v e a c t i v a t i o no nt h es t r o n g e rc ob o n di se l u c i d a t e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n w eu s ec o m p u t a t i o n a l c h e m i s t 叮 t o o l st os t u d yt h e m e c h a n i s m so fp da n dn i c a t a l y z e dr e a c t i o n s w ee x p l a i n e de x p e r i m e n t a l o b s e r v a t i o n sa n dp r o v i d ei n s i 曲t st ot h es c a l ea n ds e l e c t i v i 够f o rt h ed e s i g no fn e w c a t a l y s t s k e y w o r d s d e n s i t yf u n c t i o n a lm e t h o d d f t p a l l a d i u m n i c k e l c r o s s c o u p l i n g r e a c t i o n o x i d a t i v ea d d i t i o n c oa c t i v a ti o n 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文 是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果 除己特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果 与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权 即 学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版 允许论文被查阅和借阅 可以将学位论文编入有关数据库进行检 索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 作者签名 年月 日 第 章绪论 1 1 引言 第一章绪论 卤代芳烃或者烯烃与亲核性碳原子或者杂原子之问的催化偶联反应 s c h e m e 1 是近年来有机化学研究中的一项重要成就 这是由于卤代芳烃或者烯烃中的 碳原子采用s p 2 杂化 因而传统的s 2 取代反应对这一类偶联并不奏效 为了实 现偶联的效果 传统的合成不得不采用先连接成环 再芳构化的迂回策略 相比 之下 现代的碳 s p 2 一碳和碳 s p 2 一杂催化偶联反应高效而经济 因而已经 成为有机合成中不可缺少的一个手段 它被广泛应用于医药 农药 以及精细化 工品的各种合成实践之中 并为社会带来了显著的经济效型 a r x a r y a r ar x c i b r 1 o t f o t s o m s e 屺 y 一m g x z n b x 2 一s n x 4 e t c 图1 1 在诸多碳 s p 2 一碳和碳 s p 2 一杂偶联反应里 过渡金属的催化起着关键 的作用 对于这方面的研究 最早可以追述到k h a r a s c h 时代1 2 1 他与随后k o c h i 等人的研究 3 匈人们显示了在f e c o n i c u a g 等多种过渡金属盐的存在下 亲核性碳 主要是格氏试剂 能够与卤代烃直接发生偶联 然而 由于k h a r a s c h 和k o c h i 研究的反应往往产物复杂而且产率较低 这些早期的研究并没有被人们 重视 直到1 9 7 0 年 y a m 锄o t o 等人提出了n i 的氧化加成以及还原消除反应机理 们 随后c o r r i u 与k u m a d a 各自独立地发现了真正具有使用价值的n i 催化碳一碳 偶联反应 孓6 1 1 9 7 5 年 m u r a h a s h i s o n o g a s h i r a n e g i s h i 和h a y a s h i 等人又 发现了高效的p d 催化碳一碳偶联反应 7 在此之后 n i 和p d 的催化偶联受到了 越来越多研究者的注意 并涌现出诸如s t i l l e n e g i s h i s u z u k i k u m a d a 以及 s o n i g a s h i r a 等一系列的人名反应 同时 c n c 一0 c p 以及c s 等c s p 2 一 杂偶联反应也得到了长足的发展 经过大量系统的研究 n i 和p d 催化的碳 s 一碳和碳 s 一杂偶联反应最终发展成为现代有机合成所不可缺少的关键方法 第 章绪论 1 2 钯催化的偶联反应的分类 根据钯催化的偶联反应中的亲核试剂的不同 人们以最先发现这类反应的化 学家的名字命名了不同的偶联反应 芳香基的硼酸和卤代芳香烃之间的偶联反应叫做m y a u r a s u z u k i 反应 图 1 2 这个反应的优点包括 很多含有各种官能团的硼酸和硼酸酯可以方便的买 到 并且硼酸对水 氧气和加热的稳定性好 反应的条件温和 产率和选择性很 好 兼容各种官能团 催化剂的用量较少 有时候甚至不需要配体 用活性炭吸 附的钯 p d c 也可以催化反应 这个反应的缺点主要有 有机硼试剂一般是从 格氏试剂合成的 价格较高 除了苯硼酸 其他的有机硼酸还缺少大量供应的来 源 限制了工业应用1 8 j p hc a t p d o h a r x a r 一日f a r a r j x b o h o h 图1 2 有机锡试剂和卤代芳香烃的偶联反应叫做k o s u g 卜m i g i t a s t 订l e 反应 图 1 3 这个反应的优点有 反应体系对水和空气稳定 反应体系是中性的 很好 的宫能团兼容性 产率和选择性都较好 缺点是 有机锡试剂毒性较大 反应废 弃物的处理较难 有机锡试剂比较昂贵 尺c a t p d户 a r x a r 一s 6 一r a r a r x s 日一r r r 图1 3 有机锌试剂和卤代芳香烃的偶联反应叫n e g i s h i 反应 图1 4 这个反应 使用的锌试剂有非常多的官能团和衍生物可以选择 甚至可以原位 i ns i t u 生成 对于多种官能团的兼容性好 反应条件温和 在中性的条件下进行 选择 性和产率很好 但是 锌试剂对水敏感 另外 大量使用锌试剂有安全问题 c a t p d a r x ar 一z n y a r a r x z n y 图1 4 2 第 章绪论 卤代芳香烃和端位炔烃的偶联也叫s o n i g a s h i r a 反应 图1 5 这个反应 对于多种官能团的兼容性好 产率和选择性较高 另外 副产物是卤化氢 避免 了有机金属废物的产生 但是 这个反应如果应用于工业的话 大量使用炔烃会 有安全问题 a r x h c 三c r c a t p d 图1 5 a r c 兰c r h x 卤代芳香烃和格氏试剂的偶联叫做k u m a d a c o r r i u t a m a o 反应 图1 6 格氏试剂可以方便的制备或者买到 反应的条件温和 产率和选择性较高 但是 格氏试剂对于水很敏感 也刁i 能兼容羧基 羰基等官能团 c a t p d a r x a r 一m g y a r a r x m g y 图1 6 有机硅试剂也可以在钯催化下发生偶联反应 图1 7 这个反应的优点是 条件温和 通常不需要碱 产率和选择性高 硅试剂制备容易 毒性小 缺点是 反应通常要加入含氟的试剂作为激活剂 a c t i v a t o r 另外 容易得到的硅试剂 含有的官能团的种类偏少 限制了硅试剂的广泛应用 rc a i p d 尺 a r x a r 一s i r 卜 a r ar x s i r r r 图1 7 卤代芳香烃和烯烃直接发生的偶联反应叫h e c k 反应 这个反应和上述几类 反应在反应机理上有较大的不同 需要较高的反应温度 很少能被钯以外的金属 n i c u f e 等 催化 h e c k 反应的优点在于 烯烃做为底物很容易得到 而 且可以方便的官能团化 兼容各种官能团 可以进行分子内的环化h e c k 反应 为构建复杂的环状天然产物分子提供i 途径 3 第 章绪论 1 3 钯催化的偶联反应的机理 钯催化的反应虽然有许多类型 但是基本的反应机理是相同的 除了h e c k 反应 一般的反应机理包括氧化加成 交换金属化和还原消除三个步骤 图 1 8 a h e c k 反应包括氧化加成 烯烃插入 b h 消除这三个步骤 图1 8 h r e d u c t j v e e i i m i n a t i o n l p d 0 l 2 1 l p d l a r x 1 3 1 钯的氧化加成反应 a r x 肘拳 b e l a h y d r o g e n 一h 图1 8 矧d a l v e d d i t i o n l a 一 o i e f j ni n s e r t i o n 钯的氧化加成反应通常是零价钯被卤代烃氧化成二价钯 同时插入到碳 卤 键之问 形成新的碳一钯键 在实际的催化反应中 零价钯常常和配体一起使用 常用的配体可以分为单齿和双齿两类 单齿的配体有三苯基膦 三叔丁基膦 三 环己基膦等 双齿的配体有2 2 一二 二苯基膦 一l l 一连萘 b i n a p 1 1 一 二 二苯基膦 茂铁 d p p f 和氨基酸等 这些配体的位阻都较大 零价钯一般 和两个单齿配体或者一个双齿配体配位最稳定 达到1 6 电子的结构 发生氧化 加成的时候 钯一般要先脱去一个配体的齿 形成单配位1 4 电子的高活性的钯 氧化加成的产物是三配位的1 6 电子结构 氧化加成反应一般认为是协同的过程 而不是单电子转移的过程 s p 2 杂化 的碳一卤键对钯加成的活性顺序从高到低是 c i c b r c c l c f 氧化 加成反应是偶联反应中最常见的决速步 卤代芳香烃氧化加成的难易程度基本上 就决定了它们发生偶联反应的难易 溴化物和碘化物是最常用的偶联反应的底 物 氯化物经过f u 等人不懈的努力 也可以方便的用于某些偶联反应1 9 j 而氟 化物的偶联反应无法用钯催化 除了卤代芳烃以外 重氮酸盐 磺酰基和酯基取 4 竹呲 p 第 章绪论 代的芳香烃也可以发生氧化加成反应 他们又叫做 拟卤代物 其中三氟甲磺 酸基取代的芳香烃活性和澳化物相当 应用较广泛 除了卤素可以影响氧化加成 的速度 芳香基上的取代基也可以 缺电子的卤代芳香烃更窬易发生氧化加成 通常被称为 激活 的底物 而带有o m e n h m e 等给电子基团的卤代芳香烃 通常被称为钝化的底物 1 3 2 钯的交换金属化反应 钯的交换金属化是芳香基从主族的金属原子 m g b s i z n 等转移到 钯原子上的过程 图1 9 反应中钯的价态不变 一般来说 只有二价的钯才 能发生交换金属化 这个反应的驱动力是钯的电负性比主族的金属原子强 所以 和给电子的芳香基 或者盯 的结合能力更强 p a u l i n g 电负性的顺序是这样的 p d 2 2 0 n i 1 9 1 m g 1 3 1 z n 1 6 5 b 2 0 4 s n 1 9 6 通常 来说 转金属化作用是通过一个四员环的过渡态进行的 但是值得注意的是 一 些反应的添加剂可以加速转金属化作用 它们是通过改变过渡态的结构起作用 的 例如 碱可以加速s u z u k i 反应 f 负离子可以加速h i y a m a 反应 俨m y a 一 y a r p d x a 广一m y 尸d m p p d x m y a r xa 图1 9 1 3 3 钯的还原消除反应 还原消除是氧化加成的逆反应 钯从二价被还原成零价 同时生成偶联产物 完成催化循环 还原消除是过渡金属的特征反应 主族元素如m g z n s i b 和s n 不能发生还原消除反应 碳一碳键还原消除从容易到困难的顺序是 s p 一s p 2 s p 一s p s p 2 s p 3 造成这一现象的原因是s p 2 c 上的未杂化p 轨道更容易相互作 用 钯上的配体对还原消除的作用和氧化加成相反 强的 电子受体例如c o 还有缺电子的烯烃 大位阻的配体都能加速还原消除 5 第 章绪论 1 3 4 钯的p h 消除反应 b i 消除反应中 钯的b 位上的h 从碳上转移到钯上 同时生成新的c c 双键 钯的化台价不变 电子数增加了2 配位数增加了l 钯的b h 消除在热 力学上通常是不利的 但是能垒很低 而且整个偶联反应的最终产物是热力学有 利的 所以很容易发生 1 3 5 钯上的双键插入反应 钯上配位的双键可以打开双键 插入到相邻的碳一钯键之间 整个过程钯的 化合价不变 电子数减少2 配位数减少1 一般只有二价钯才能发生插入反应 插入反应是可逆的 阳离子的中间体更容易发生双键插入反应 因为双键更容易 和阳离子的钯中心配位 这已经被a g i 离子可以加速卤代芳香烃的h e c k 反 应所证实 另外 某唑大位阻 富电子的配体 例如三叔丁基膦或者卡宾配体也 可以加速双键的插入反应 1 3 6 钯上的配体交换反应 钯上的配体和溶液中的自由配体实际上存在一个动态的交换平衡 图 1 1 0 这个交换可以发生在配体之间 也可以发生在配体和某些有配位能力的 底物之间 这种配体交换机理简单 反应能垒很低 在室温下是一种快速平衡 以前曾不被人们重视 但是最近的理论和实验研究表明 配体交换在某些偶联反 应中起着决定性的作用 例如 n a k a m u r a 等人发现 零价n i 和底物的配体交换 生成反应络合物的过程 是n i 催化的c u m a d a 反应的第一个不可逆步骤 起着促 进反应进行的作用 0 1 辜一苫d 坠年 l 兰 图1 1 0 6 旃一章绪论 1 4 镍催化的偶联反应 目前 绝大多数的催化偶联反应使用钯盐作为催化剂 这是由于钯盐催化的 反应具有条件温和 底物适用性较广 以及催化转换数 t u r n o v e rn u m b e r 较 高等优点 然而 人们也对镍盐催化的偶联反应产生了极大的兴趣 这不仅是因 为镍盐远远较钯盐便宜 而且还由于镍盐可能催化一些钯盐不能催化的偶联反 应 此外 即使是同样的偶联反应 镍盐催化可能产生与钯盐催化不同的官能团 选择性 区域选择性 以及立体选择性等等 为此 有必要继续深入地研究镍盐 催化的偶联反应 镍催化的偶联反应是最近的一个热点 例如 f u 等人最近发现 使用配体1 和镍可以催化消旋的q 一溴炔和芳香基锌试剂偶联 生成立体专一的产物 图 1 1 1 另外 他们还发展了镍催化的立体专一的s u z u k i 反应和h i y a m a 反应 这些反应通常都以二级卤代烷为底物 而钯是无法催化二级卤代烷的偶联的 这 体现了镍催化的优势 1 2 r r 芸r r f a c e m i c 图1 1 1 镍和钯催化的反应相似 但是它们的反应机理可能有较大的不同 v i v i c 等 人曾提出 镍在催化循环中可能是以自由基中间体存在的 13 1 7 菊 章绪论 1 5 镍催化的反应的机理 1 5 1h e c k 反应的机理 l i n 等人用理论计算的方法研究了镍和钯催化的h e c k 反应 镍催化的h e c k 反应的机理和钯催化的相似 通常分成四步 l 氧化加成 即卤代烃和n i o 生成o 芳基镍 i i 或者a 烯基镍 i i 络合物 2 磷配体或者卤素配体从络 合物上脱离 从而使烯烃可以和镍配位 然后烯烃的c c 基团插入到芳香基 n i 或者烯基 n i 之间 3 分子内的p h 消去 产生偶联产物 4 n i l 2 在碱作用下 除去h x 得到再生 图1 1 2 1 4 计算中选取了氯乙烯和乙烯在n i p h 3 2 催化下的 反应作为模型 图1 1 3 得出了这个反应的每一个基元反应的过渡态和 g 并且比较了不同的卤素 配体对于反应的影响 几个重要的配体和n i p h 3 2 的结 合能由强到弱的顺序是乙烯 2 卤代乙烯 t 1 2 磷化氢 卤苯n 2 由于卤代 烯或者卤苯对于n i 催化剂的氧化加成需要一个配体的空位 所以烯烃或者磷配 体会有一个强的禁阻作用 第一步氧化加成形成一个顺式的平面四配位络合物 l 自由能变化是负的 因此n i 的氧化加成是比较容易的 第二步要先发生配体 的脱离 通常氯离子和n i 的结合能较大 因此发生的足磷化氢的脱离 脱离使 得体系的自由能升高 因此 过量的磷配体对于反应有阻碍的作用 乙烯和n i 配位后 再发生插入形成2 这一步反应由于形成了c c 键 所以自由能变化是 较大的负值 第三步 首先是2 上的配体c h a c h b c h c h 2 进行c c p 键的旋转 然后b h 键断开 形成n i h 键 这一步的自由能变化是正的 然后产物 c h 2 c h c h c h 从n i 上脱去 留f 一个配体空位 再被一个p h 3 补上 最后 在碱的作用下h x 脱去 催化剂再生 8 隳一章绪论 r c h b a s e h x h l n x i l e m i na t i o n l i n j l r x d a 石v ea dd i t i o n r l n x i l 1 c h 2 c h 2 i n s e r t i o n 图1 1 2 弋 一警殄夕 h x 一 j u v x m n i x c i b r l 图1 1 3 和氯乙烯相比 氯苯和n i 的配位键较弱 因此氧化加成的能垒要比氯乙烯 小很多 而插入和p h 消去的活化能与氯乙烯相差很小 不同的卤乙烯的反应活 性也不同 氧化加成的能垒变化显著 顺序是氯 溴 碘乙烯 而插入和p h 消去的能垒 氯 溴和碘都基本相同 这是由于这两步反应都没有断裂或生成含 卤素的键 催化剂再生消去h x 的能垒是氯 溴 2 c t c h 也 旃 章绪论 rh c 1 c 2 hh m p h 3 2 n i 殄c l c 2 h 2 r c 1 一c o u p i i n g c 2 c o u p n g 图1 1 4 不同的配体对于催化剂的再生步骤有很大的影响 通过对于自由能变化的比 较发现 没有配体的 g 要比有大多数配体时大 c o 和c h 2 c h 2 这两个7 c 电子 接受体可以把 g 变为负值 但是这两个配体并不适合整个反应 因为n i c o 2 氧化加成的 g 太高 而c h 2 c h 2 作配体会1 亍副产品 至于不同的溶剂 计算 发现 极性溶剂比非极性溶剂更能降低氧化加成 烯烃插入 b h 消去的能垒 而非极性溶剂可以更好的降低催化剂再生步骤的能垒 但是定性来说 真空气态 计算的结论和考虑了溶剂效应的结论一致 在上述的反应途径认为在乙烯的配位插入之前 只能是磷配体离开n i 原子 这也被称为中性途径 另外也不能排除有阳离子途径和阴离子途径 当使用o t f 取代的乙烯代替氯乙烯时 由于0 t f 和n i 配位的作用较弱 o t f 比p h 3 更容易 从n i 上离去 形成阳离子中问体 阳离子途径的其他特征和巾性途径类似 通 常认为h e c k 反应中有效的催化剂是p d 0 l 2 或者n i 0 l 2 但是有实验表明 p d 0 l 2 c l 也可能是有效的催化剂 1 5 从而发生阴离子途径 计算结果显示 p d 0 l 2 c l 或者n i 0 l 2 c l 不能和氯乙烯形成稳定的氧化加成产物 而p d o l c l 或者n i 0 l c l 更有可能是催化剂 阴离子途径的氧化加成更容易进行 这是因 为阴离子的金属原子更加富电子 1 5 2k u m a d a c o r ri u 反应的机理 t a m a o 等人注意到如下的两个实验事实 1 带有两个烃基的n i 配合物可以 被卤代烃氧化加成 同时释放出两个烃基 2 氧化加成的产物容易和格氏试剂 反应生成两个烃基和n i 配位的产物 在此基础上他们提出了k u m a d a c o 州u 反 应的机理 图1 1 5 16 1 该机理可能也适用于r m m 是含有l i b z n 等的基团 和岗代烃的偶联反应 根据该机理 首先是n i 化合物被r m 或者其它还原剂还 l o c h h r c c 工 一 第 章绪论 原成n i o l 2 接着被卤代烃r 1 x 1 转化成3 3 和格氏试剂反应生成双烃基的4 4 再在卤代烃的协助下生成产物r r 对于这个机理还存在争议 有人认为在 格氏试剂和卤代芳烃的反应中 可以是r m 先和n i 反应 最后生成产物r r 1 也可以是在r m 的协助下 图1 1 5b 有关这方面的深入研究我们正在进行 r 1 x 1 5 3ui im a n 反应的机理 图1 15 雯1 3 m r 通常认为 u l i m a n 反应是通过a r n i i i x l 2 这样的中间体进行的 由于 a r n i i i x l 2 可以分离制得纯净晶体 t s o u 等人通过研究a r l n i i i x l 2 和a r x 之 间的反应 提出了u 1 1 m a n 反应的自由基机理 图1 1 6 这个机理能够解释不少 实验结果 第 章绪论 a r n i i1 x l 2 二 ia r n i i1 x l a r l n i 1 i x l 2 图1 16 在上述机理中 自由基中间体n i i i i 由途径 1 生成 a r x 氧化性的强弱是 a r i a r b r a r c l 这和观察到的反应开始的诱导期大小顺序人r i a r b r b r 因此 碘代芳烃的产物中a r l a r 的比 例更小 a 刑 i x 2 l a n i 1 1 x a 刑i 1 1 x l a r ln 1 1 1 x 2 l x n a r n xl l 二x 川 j 1 5 a a r x n i n i xl x 川 jj 5 b 图1 1 7 x a r a 一 一 x m l 川 jj 5 c 这个反应可以被苯醌或者对二硝基苯禁阻 这是因为它们是高效的单电子接 受体 可以和n i i 结合 使其无法进一步反应 1 2 第一童绪论 1 5 4c n 交叉偶联的机理 c a s s a r 等人对于卤代芳香烃和胺的偶联提出了一个可能的机理 图1 1 8 1 8 j n i o 是催化的活性物种 但是这个机理不适用于直接用n i i i 做催化剂的反应 因为在这些反应的温度下 胺不能把n i i i 还原成n j 0 另外 c r a m e r 等人发 现 作为这个机理的中间体c 6 h 5 n i c l p c 6 h 5 3 2 不能和氨或者甲胺在通常的条件 生成苯胺 1 9 1 反应没有诱导期 但是可以被硝基苯禁阻 这说明电子转移过程 在反应中很重要 1 6 本章小结 2 l a r n r 2 a r n i n r 2 l 2 n i 0 l 4 a r n i x l 2 f k n h 2 x 2 r 2 n h 图1 1 8 2 l 这一章概述了钯和镍催化的偶联反应 介绍了基本的反应类型和反应机 理 说明了钯和镍催化的偶联反应在现代有机合成中的重要应用 钯和镍催化的 偶联反应作为一类正在快速发展的反应 基本的反应机理往往不能解释新的发 现 有很多实验上观察到的现象无法很好的解释 这为反应机理的研究提供了很 有趣的问题 所以 接下来本论文将首先探讨研究反应机理的计算化学方法 然 后研究几个重要的反应机理 1 3 第 辜绪沦 参考文献 1 d i e d e r i c h f s t a n g p j 缸 口 一c 订 口厶z p dc d s 一c o 妒 打培 留口f 面门s w i l c y v c h w e i n h e i m 1 9 9 8 b b a r a n a n o d m a n n g h a r t w i g j f c 尸 侈c 厅p 所 1 9 9 7 2 8 7 c c h e n g q 一f j i a n g c s y b u t p c 协砌 d 停c 加朋 2 0 0 l 2 l7 3 c z h a l l g z 一f z h o u w c c 汤砌 zl 暨c 厅p 厅z 2 0 0 2 2 2 6 8 5 d b e d f o r d r b c 疗p 肌 c i d 肌所堋 2 0 0 3 l7 8 7 e b k w i n s k i r r 彳 z g p 似 劢p 朋 饥点冱2 0 0 3 钳 1 5 6 6 f l e y s v t h o m a s a w 彳馏e w 汤p 掰 砌t 2 0 0 3 卯 5 4 0 0 g 陆熙炎 金属有机化合物的反应化学 北京 化学工业出版社 2 0 0 0 2 k h a r a s c h m s r e i n m u t h o g t 即日 dr p a g 它刀船矿加l 门m e 幻 缸5 6 5 f 册c p s p r e n t i c e h a l l i n c n e wy b r k 1 9 5 4 3 t a m u r a m k o c h i j z 彳肌 c 向p 脚 铴d1 9 7 l 9 3 l4 8 7 4 u c h i n o m y r a m a m o t o a i k e d a s z r 弘加朋p 胁 劢p 朋 1 9 7 0 2 4 c 6 3 5 c o r r i u r j p m a s s e j pc 向p 朋 为朋珊 z 1 9 7 2 j 4 彳 6 t a m a o k s u m i t a n i k k u m a d a m 彳朋 鳓p 所 勋c 1 9 7 2 舛 4 3 7 4 7 n e g i s h i e i d 苫 加朋p r 口f c 办p 肌 2 0 0 2 6 5 3 3 4 8 c o r b e t j p m i g n a n i gc 胁删 r p e2 0 0 6 d 6 2 6 5 1 9 l i t t k e a f f u gc 彳懈w 锄p 研 加f 上 d2 0 0 2 4 j 4 1 7 6 10 y 0 s h i k a i n m a t s u d a h n a k a m u r a e 彳朋 c 办p 研 1 5 t d c 2 0 0 8 j 3 d 15 2 5 8 1 1 f i s c h e r c f u gc z 彳所 c 仇历 勤c 2 0 0 5 27 4 5 9 4 4 5 9 5 12 s a i t o b f u qc 彳册 c 锄p 肼 s i d c 2 0 0 7 j 2 9 9 6 0 2 9 6 0 3 b s a i t o b f u g c z 彳朋 c p 所 5 b c 2 0 0 8 j 3 d p p6 6 9 4 6 6 9 5 1 3 j o n e s gd m a r t i n j l m c f a r l a n d c a l l e n o r h a l i r e h a l e y a d b r a n d o n r j k o n o v a l o v a t d e s r o c h e r s p j p u l a y p v i c i c d a z 彳肌 c 胁朋 5 b d2 0 0 6 2 墨1 3 1 7 5 1 4 l i n b 一l l i u l f u y l u o s w c h e n q g u o q 一x 1 二i 矽胛d 历p f 口刀记s 2 0 0 4 刀 2 1 1 4 15 a a m a t o r c c c a r r e e j u t a n d a m b a r k i m m e y e r g 枷弦胛d 小p 胁 1 9 9 5 j 4 5 6 0 5 b a m a t o r e c j u t a n d a 彳c c 劢p 朋 尺p 5 2 0 0 0 j 3 314 16 1 a m a o k s u m i t a n i k k u m a d a m z 彳聊 c 厅p 朋 勋c 1 9 7 2 9 4 4 3 7 4 17 t 夸o u t t k o c h i j k 爿肌 确p m 勋c 1 9 7 9 d 7 5 4 7 7 5 6 0 1 8 a c a s s a r l zd 曙口门d 脓琅c 加朋 1 9 7 3 5 3 8 1 b c a s s a r l f o a m i 二 曙a d 聊p f c 锄p 卵 1 9 7 4 5 彳 c 5 7 19 c r a m e r r c o u l s o n d r z 侈 功p 所 1 9 7 5 彳以2 2 6 7 2 2 7 3 第二章理论方法的探讨 2 1 计算化学概述 第二章理论方法的探讨 计算化学是随着计算机技术的发展而产生的化学和计算机的交叉学科 早在 2 0 世纪初 量子力学的奠堪人狄拉克就曾经说过 用数学方法处理大部分物理 问题和全部化学问题所需要的基本定律已经被完全掌握了 剩下的困难事实上只 是这些定律导出的方程太复杂而无法被解出 这句话说明 用量子力学的基本 定律来求解实际的化学问题是困难的 但是 随着计算机的发明和快速发展 人 们拥有的计算能力越来越强大 通过对严格理论进行适当的近似 很多化学问题 已经可以被比较精确的计算 当今的计算化学 已经成为了化学家研究问题的有 力手段 它可以提供很多实验上难以得到的信息 并且对实验进行指导 现在能 计算的化学量主要有以下这些 分子能量和结构 过渡态的能量和结构 化学键以及反应的能量 分子轨道 原子电荷和电势 偶极矩和多极矩 振动频率 红外和拉曼光谱 核磁 极化率和超极化率 热力学性质 反应途径 离子化能 电子亲和能 电子激发能 溶剂化效应等 以下几节将对常见的计算方法简要介绍 2 2 从头计算方法 从头计算方法是从s c h r 6 d i n g e r 方程出发 系运动状态的波函数甲和能量的 不含时的s c h r 6 d i n g e r 方程的一般形式为 h 譬 e 喈 进行近似求解 得到微观粒子体 其中日为h a m i l t o n 算符 在非相对论近似下 可以表示为 1 5 第二章理论疗法的探讨 一担 一 事c 争 詈c 靖警 伪 对于多电子体系的s c h r 6 d i n g e r 方程 目前仍无法精确求解 通常先采用 b o r n 一0 p p e n h e i m e r 近似 把体系的s c h r 6 d i n g e r 方程拆分为 核固定位置时的 电子体系运动方程和核的运动方程 在求解电子波函数时 一般采用单电子近似 h a r t r e e 建议把所有电子对每个个别电子运动的影响代换成某种有效场的作用 于是每个电子在核电荷及其余电子有效场产生的势场中运动仅倚赖于电子坐标 在这些近似条件下 h a r t r e e 与f o c k 提出了自洽场方法 s c f 例如对于闭壳 层组态的h a r t r e e f o c k 方程可写成 y s 订 3 j f 可看成是分子习 境中有效单电子h a m i l t o n 量 是单电子波函数 占是电子 的能量 f 日一 2 一k 4 其中库仑算符 和交换算符巧分别为 c 缈 c t 缈 c 2 去妒 c 2 d r z c 5 k c 少 c j c 2 寺缈 c 2 d r z c n 6 方程 3 中包含微分算符h 积分算符j 和k 所以h a r t r e e f o c k 方程是一微分一 积分方程 不便于求解 1 9 5 1 年 r o o t h a a n 引入了l c a o m 0 近似 把h a r t r e e f o c k 方程变成矩阵方程形式 得到r o o t h a a n 方程 一s s 一 c o 7 式中h a r t r e e f o c kh a m i l t o n 算符矩阵表示中的元素 v 为 乞 何 粪姜只 c y i 五盯 一三c 五iv 矿 8 乞 何 一 只 i y i 五盯 一吉 肼i 附 l 五 l 仃 ll 厶 j r rr 其中 y 以 仃是原子轨道标记 儿 v是分子实h a m i l t o n 量对于原子轨道的矩 1 6 第二章理论疗法的探讨 日 一 j 九 1 h 1 丸 1 d r c t 球e 邑r 是原子轨道九和丸的重叠积分 似 1 丸 1 在 8 式中 yl 五盯 是双电子排斥积分 是二阶密度矩阵 9 1 0 似yz 盯 f 九 1 丸 1 士办 2 九 2 d f j d f 1 2 1 1 2 c 巴 1 2 这里用于展开分子轨道的原子轨道称为基函数 基组 对于给定的体系 可 以通过某些方法 如扩展的h u c k e l 方法 得到一个初始猜测分子轨道 分子轨道 可以构造f o c k 矩阵 用以产生新的分子轨道 如此循环迭代 直到相邻迭代的 体系能量变化在给定的阂值范围之内为止 即认为达到分子轨道自洽或收敛 这 种方法称为自洽场s c f s e l f c o n s i s t e n t f i e l d 方法 所得到的波函数被称为 h a r t r e e f o c k 方程自洽场波函数 又简称h f 波函数或s c f 波函数 在h f 自治场方法中 包含了库仑积分 它表示了两个电子间的库仑作用能 这对体系能量是不利的 同时还包含了交换积分 它表示了同自旋电子之间的一 种相互作用能一交换能 对体系能量贡献是有利的 即自旋相同电子间的交换作 用可使总能量降低 这样在其它条件允许的情况下 电子将尽量保持自旋平行 同自旋电子间的交换作用是一种量子效应 起源于微观粒子的全同性 在h a r t r e e f o c k 理论的s c f 方法中 假定电子在原子核及其它电子形成的 平均势场中独立运动 考虑了粒子间平均相互作用 但是没有考虑电子之间的瞬 时相关 即平均势场中独立运动的两个自旋反平行的电子可能在某一瞬间在空间 某点同时出现 由于电子间的c o u l o m b 排斥 这是不可能的 由于单组态s c f 方法没有考虑电子相关 在计算能量时过高地估计了两电子 之间接近的几率 使得计算的电子排斥能过高 求得体系总能量高于实际值 电 子相关能就是指h f 能量的这种偏型2 1 电子相关能在体系总能量中占的比例为 o 3 l 因此h f 方法就其总能量的相对误差来看 应该说是一种很好的近似 但在研究电子激发 反应途径 分子离解等过程中 由于相关能的数值与一般化 学过程中反应热或活化能具有相同的数量级 所以必须在h f 基础上考虑电子相 关能 处理这一电子相关问题的方法被称为 电子相关方法 或 后自洽场方法 其中包括组态相互作用理论 3